一种生物气溶胶预警系统

技术领域

本发明涉及生物气溶胶检测领域，具体而言，涉及一种生物气溶胶预警系统，更具体地涉及一种具备抗干扰能力的生物气溶胶预警系统。

背景技术

生物气溶胶监测预警仪，是通过检测生物气溶胶颗粒在激光束中激发诱导产生荧光信号实时监测生物气溶胶，并能根据生物气溶胶浓度的变化发出报警的装置。2011年12月28日公开的申请号为201110129408.5的发明专利“一种单光源生物气溶胶粒子检测装置”，提供了一种连续光生物气溶胶检测装置，其采用了一种连续光激光光源和一套光路系统同时激发粒子散射光和诱发荧光，可以同步分析监测微生物的粒子大小和生物两种特性，可以实时在线分析空气中的生物气溶胶粒子并给出生物气溶胶粒子的数量和浓度。

目前，市面上存在多种生物气溶胶检测预警装置，例如包括前述单光源生物气溶胶粒子检测装置在内的生物气溶胶监测预警仪，能根据实时监测的生物气溶胶浓度的大小通过设定的预警阈值判断是否发出预警信号，具有简单的预警功能。但是在实际的采样环境中，生物气溶胶浓度会受环境条件的影响，如在低气压、高湿度、静稳天气条件下生物气溶胶浓度水平相对较高；而在高气压、低湿度、流动天气条件下，生物气溶胶浓度则相对较低。采用设定固定预警阈值的预警方式，若设定的预警阈值过高，则会出现即使释放生物气溶胶也不会发出预警信号的漏预警问题；反之，则会出现频繁预警的问题。此外，生物气溶胶浓度还会受到烟雾、花粉、扬尘等干扰物的干扰，如果没有正确的抗干扰方法和算法来排除它们，就可能会因为干扰物的干扰导致误预警现象，因此，这些预警装置及方法无法满足实战化应用的需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种生物气溶胶预警系统，其能根据特定的应用需求和环境条件，配置相应的预警策略和抗干扰算法，能够动态适应环境条件，自动排除干扰物的干扰，满足生物气溶胶监测预警仪的实战化应用需求。

为达到上述目的，本发明提供了一种生物气溶胶预警系统，其包括：

生物气溶胶预警配置模块，用于规划配置预警算法；

生物气溶胶预警模块，与所述生物气溶胶预警配置模块数据连接，用于从实时采集的生物样本中提取本底、分析生物特征、剔除无效样本以及识别样本生物特征并输出预警信号；

生物气溶胶采集模块，与所述生物气溶胶预警模块连接，用于实时采集生物气溶胶样本，并将数据传输给所述生物气溶胶预警模块；

典型生物气溶胶特征数据库，包含特征生物气溶胶的表征信息，与所述生物气溶胶预警模块连接，其中，所述特征生物气溶胶的表征信息包括：颗粒特征信息和生物荧光特征信息；

干扰物特征数据库，包含多种干扰物特征信息；

生物气溶胶预警抗干扰模块，分别与所述干扰物特征数据库和所述生物气溶胶预警模块数据连接，用于分析识别干扰物特征及分辨干扰物，并为生物气溶胶预警模块提供干扰影响因素。

预警信号输出单元，与所述生物气溶胶预警模块数据连接，用于将接收到的预警信号通过声、光、图像等手段传达生物气溶胶预警信息。

在本发明一实施例中，所述生物气溶胶预警配置模块包括：

预警算法输入要素集，包含预警算法需要配置的输入要素；

生物特征搜索算法集，包含预警算法所采用的算法模型及其参数配置，其中，所述算法模型包括：分布拟合的贝叶斯方法、主元分析方法和高斯分析方法等；以及

预警算法逻辑配置模块，用于配置预警算法。

在本发明一实施例中，所述预警算法输入要素集包括：气象条件、生物气溶胶浓度分布、气溶胶颗粒物分布和干扰物传感数据，其中：

所述气象条件包括但不限于大气温度、大气湿度、风速、风向、降雨和大气压等；

所述生物气溶胶浓度分布为不同荧光谱段生物气溶胶荧光强度分布；

所述气溶胶颗粒物分布为不同粒径通道上气溶胶颗粒物浓度分布；以及

所述干扰物传感数据为不同类型的干扰物传感器的输出数据，其包括：引擎废气传感器数据、餐厨废气传感器数据和爆炸物传感器数据。

在本发明一实施例中，所述预警算法逻辑配置模块包括：预警算法执行配置和预警算法策略子模块，其中：

所述预警算法执行配置用于规定预警算法的执行逻辑，其包括：算法执行逻辑、算法输入、算法输出和算法跳转逻辑；

所述预警算法策略用于规定预警算法的优先关注的重点要素和预警算法策略原则，其中：所述优先关注的重点要素用于定义预警算法中需要优先关注的参量，其包括荧光强度、荧光浓度和荧光谱通道；所述预警算法策略原则用于定义预警算法中预警触发策略，其包括尽量减少误预警策略、尽量减少漏预警策略和兼顾误预警和漏预警的平衡策略。

在本发明一实施例中，所述优先关注的重点要素能够同时配置多项，所述预警算法策略原则只能够配置一种。

在本发明一实施例中，所述生物气溶胶采集模块实时采集的数据包括：气溶胶颗粒分布数据和生物气溶胶浓度分布数据。

在本发明一实施例中，所述生物气溶胶预警模块包括本底提取子模块、气溶胶样本特征分析子模块、无效样本剔除子模块和生物特征识别子模块，其中：

所述本底提取子模块用于提取生物气溶胶预警本底信息并计算本底参数，所述生物气溶胶预警本底信息来自于所述生物气溶胶采集模块实时采集的所述生物气溶胶浓度分布数据，其包括本底样本数、本底均值和本底标准差；

所述气溶胶样本特征分析子模块用于提取分析生物表征信息，所述生物表征信息来自于所述生物气溶胶采集模块实时采集的所述生物气溶胶浓度分布数据和所述气溶胶颗粒分布数据，其包括生物气溶胶尺度信息、荧光强度数据和荧光谱通道数据；

所述无效样本剔除子模块用于剔除无效或干扰样本，其中，剔除的所述无效或干扰样本包括异常波动样本、气体干扰物样本和超大颗粒样本；

所述生物特征识别子模块分别与所述本底提取子模块、所述气溶胶样本特征分析子模块和所述无效样本剔除子模块数据连接，用于通过将样本的生物特征信息与所述典型生物气溶胶特征数据库中典型特征信息比对分析识别出样本的生物特征，并依据所述生物特征、所述本底参数、所述生物气溶胶浓度分布数据和所述气溶胶颗粒分布数据自动发出分级的生物预警信号，其中，所述生物特征包括生物种类、生物危害性和生物活性。

在本发明一实施例中，所述无效样本剔除子模块具体剔除无效样本的过程为：根据生物气溶胶预警抗干扰模块的输出结果、样本浓度分布数据和气溶胶颗粒分布数据的波动情况判断当前样本是否为无效样本，如果不是无效样本，则保留当前样本；否则，予以剔除，并将剔除后的气溶胶样本序列输入到生物特征识别子模块中。

在本发明一实施例中，所述生物气溶胶预警抗干扰模块包括：

干扰物传感单元，用于采集各种干扰物的传感数据，其集成了多种干扰物传感器，包括引擎废气传感器、餐厨废气传感器和气体爆炸产物传感器；

干扰物特征识别子模块，与所述干扰物特征数据库数据连接，用于干扰物特征信息的检索和对干扰物的识别，其中，所述干扰物特征信息包括干扰物颗粒特征、伴随干扰物气体特征和干扰物荧光特征；所述干扰物包括引擎废气、餐厨废气、爆炸产物、花粉、扬尘；

抗干扰算法子模块，与所述干扰物特征识别子模块数据连接，用于通过排除干扰物干扰的算法为所述生物气溶胶预警模块提供干扰信息。

在本发明一实施例中，所述预警信号输出单元包括：

预警声音输出终端，包括各种蜂鸣器、喇叭；

预警图形图像输出终端，包括各种类型的图形图像显示器；

预警指示终端，包括各种类型的预警灯。

本发明通过预警算法配置及生物特征提取、本底采集、无效样本剔除、生物特征鉴别等一系列算法过程排除干扰物的干扰、识别生物气溶胶的威胁。与现有技术相比，将本发明的生物气溶胶预警系统集成到现有的生物气溶胶监测预警仪中，能使生物气溶胶监测预警不仅具有环境适应能力，而且具有抗干扰能力，更好地满足了实战化应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明气溶胶预警系统的结构图；

图2为本发明气溶胶预警系统中预警算法输入要素集的结构图；

图3为本发明气溶胶预警系统中预警算法逻辑配置模块的结构图；

图4为本发明气溶胶预警系统中生物气溶胶预警模块的结构图；

图5为本发明气溶胶预警系统中生物气溶胶预警抗干扰模块的结构图。

附图标记说明：10-生物气溶胶预警配置模块；20-生物气溶胶预警模块；30-生物气溶胶采集模块；40-典型生物气溶胶特征数据库；50-干扰物特征数据库；60-预警信号输出单元；70-生物气溶胶预警抗干扰模块；11-预警算法输入要素集；12-生物特征搜索算法集；13-预警算法逻辑配置模块；111-气象条件；1111-大气温度；1112-大气湿度；1113-风速；1114-风向；1115-降雨；111-大气压；112-生物气溶胶浓度分布；113-气溶胶颗粒物分布；114-干扰物传感数据；1141-引擎废气传感器数据；1142-餐厨废气传感器数据；1143-爆炸物传感器数据；131-预警算法执行配置；132-预警算法策略；1311-算法执行逻辑；1312-算法输入；1313-算法输出；1314-算法跳转逻辑；1321-荧光强度；1322-荧光浓度；1323-荧光谱通道；1324-尽量减少误预警策略；1324-尽量减少漏预警策略；1326-兼顾误预警和漏预警的平衡策略；21-本底提取子模块；22-气溶胶样本特征分析子模块；23-无效样本剔除子模块；24-生物特征识别子模块；211-生物气溶胶预警本底信息；2111-本底样本数；2112-本底均值；2113-本底标准差；221-生物表征信息；2211-生物气溶胶尺度信息；2212-荧光强度数据；2213-荧光谱通道数据；2311-异常波动样本；2312-气体干扰物样本；2313-超大颗粒样本；241-生物特征；2411-生物种类；2412-生物危害性；2413-生物活性；242-生物预警信号；61-预警声音输出终端；62预警图形图像输出终端；63-预警指示终端；71-干扰物传感单元；711-引擎废气传感器；712-餐厨废气传感器；713-气体爆炸产物传感器；72-干扰物特征识别子模块；721-干扰物特征信息；7211-干扰物颗粒特征；7212-伴随干扰物气体特征；7213-干扰物荧光特征；722-干扰物；7221-引擎废气；7222-餐厨废气；7223-爆炸产物；7224-花粉；7225-扬尘；73-抗干扰算法子模块；731-干扰信息。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明气溶胶预警系统的结构图，如图1所示，本发明提供了一种生物气溶胶预警系统，其包括：

生物气溶胶预警配置模块(10)，用于规划配置预警算法；

生物气溶胶预警模块(20)，与生物气溶胶预警配置模块(10)数据连接，用于按照生物气溶胶预警配置模块(10)的配置从实时采集的生物样本中提取本底、分析生物特征、剔除无效样本以及识别样本生物特征并输出预警信号，为生物气溶胶预警系统提供核心算法；

生物气溶胶采集模块(30)，与生物气溶胶预警模块(20)连接，用于实时采集生物气溶胶样本，并将数据传输给生物气溶胶预警模块(20)，其中实时采集的数据包括：气溶胶颗粒分布数据和生物气溶胶浓度分布数据；

典型生物气溶胶特征数据库(40)包含特征生物气溶胶的表征信息，与生物气溶胶预警模块(20)连接，其中，特征生物气溶胶的表征信息包括：颗粒特征信息和生物荧光特征信息，为生物气溶胶预警算法识别生物气溶胶提供了重要参考和依据；

干扰物特征数据库(50)，包含多种干扰物特征信息，这些特征信息为生物气溶胶预警抗干扰算法分辨干扰物、排除干扰提供了重要参考和依据；

生物气溶胶预警抗干扰模块(70)，分别与干扰物特征数据库(50)和生物气溶胶预警模块(20)数据连接，用于分析识别干扰物特征及分辨干扰物，并为生物气溶胶预警模块(20)提供干扰影响因素，为生物气溶胶预警系统提供抗干扰检测方法和算法。

预警信号输出单元(60)，与生物气溶胶预警模块(20)数据连接，用于将接收到的预警信号通过声、光、图像等手段向用户传达生物气溶胶预警信息。

在本发明实施例中，其中，生物气溶胶预警配置模块(10)包括：

预警算法输入要素集(11)，包括为预警算法需要配置的输入要素；

生物特征搜索算法集(12)，包含预警算法所采用的算法模型及其参数配置，其中，算法模型包括：分布拟合的贝叶斯方法、主元分析方法和高斯分析方法等；以及

预警算法逻辑配置模块(13)，用于配置预警算法。

图2为本发明气溶胶预警系统中预警算法输入要素集的结构图，如图2所示，在本发明实施例中，其中，预警算法输入要素集(11)包括：气象条件(111)、生物气溶胶浓度分布(112)、气溶胶颗粒物分布(113)和干扰物传感数据(114)等，其中：

气象条件(111)包括但不限于大气温度(1111)、大气湿度(1112)、风速(1113)、风向(1114)、降雨(1115)及大气压(1116)等；

生物气溶胶浓度分布(112)为不同荧光谱段生物气溶胶荧光强度分布；

气溶胶颗粒物分布(113)为不同粒径通道上气溶胶颗粒物浓度分布；及

干扰物传感数据(114)为不同类型的干扰物传感器的输出数据，其包括但不限于引擎废气传感器数据(1141)、餐厨废气传感器数据(1142)和爆炸物传感器数据(1143)等。

图3为本发明气溶胶预警系统中预警算法逻辑配置模块的结构图，如图3所示，在本发明实施例中，其中，预警算法逻辑配置模块(13)包括：预警算法执行配置(131)和预警算法策略(132)等子模块，其中：

预警算法执行配置(131)用于规定预警算法的执行逻辑，其包括但不限于算法执行逻辑(1311)、算法输入(1312)、算法输出(1313)和算法跳转逻辑(1314)等；

预警算法策略(132)用于规定预警算法优先关注的重点要素和预警算法的策略原则，其中，预警算法优先关注的重点要素用于定义预警算法中需要优先关注的参量，其包括但不限于荧光强度(1321)、荧光浓度(1322)和荧光谱通道(1323)等；预警算法策略原则用于定义预警算法中预警触发策略，包括但不限于尽量减少误预警策略(1324)、尽量减少漏预警策略(1325)和兼顾误预警和漏预警的平衡策略(1326)。

在本实施例中，其中，优先关注的参量可以同时配置多项，预警触发策略只允许配置一种。

在本发明实施例中，再如图1所示，生物气溶胶预警模块(20)从生物气溶胶采集模块(30)实时采集的生物气溶胶样本数据中获取气溶胶颗粒分布数据和生物气溶胶浓度分布数据，形成样本的浓度分布数据和气溶胶颗粒分布数据，并从这些数据中提取本底信息和样本的生物特征信息，然后通过本底信息计算本底参数，通过样本的生物特征信息与典型生物气溶胶特征数据库(40)中的典型特征信息比对分析识别出样本的生物特征。生物气溶胶预警模块(20)能依据样本的生物特征信息、生物本底参数、样本颗粒物分布谱中的粒度分布特征信息和生物气溶胶浓度信息自动输出分级预警信息，以指导使用者采取进一步的生物防护措施来避免生物危害的发生。

图4为本发明气溶胶预警系统中生物气溶胶预警模块的结构图，如图4所示，在本发明实施例中，生物气溶胶预警模块(20)包括本底提取子模块(21)、气溶胶样本特征分析子模块(22)、无效样本剔除子模块(23)和生物特征识别子模块(24)，其中：

本底提取子模块(21)用于提取生物气溶胶预警本底信息(211)和计算本底参数，生物气溶胶预警本底信息(211)来自于从生物气溶胶采集模块(30)实时采集的生物气溶胶样本数据中获取的生物气溶胶浓度分布数据，生物气溶胶预警本底信息(211)包括但不限于本底样本数(2111)、本底均值(2112)和本底标准差(2113)等；

气溶胶样本特征分析子模块(22)作为生物气溶胶预警模块(20)的核心，用于提取分析生物表征信息(221)，以实现从样本的浓度分布数据和气溶胶颗粒分布中提取样本生物特征。生物表征信息(221)来自于从生物气溶胶采集模块(30)实时采集的生物气溶胶样本数据中获取的生物气溶胶浓度分布数据和气溶胶颗粒分布数据，生物表征信息(221)包括但不限于生物气溶胶尺度信息(2211)、荧光强度数据(2212)和荧光谱通道数据(2213)等；

无效样本剔除子模块(23)用于剔除无效或干扰样本，通过从气溶胶样本信息中剔除包括异常波动样本和干扰物样本等异常数据样本以提高生物气溶胶预警系统的可靠性。剔除的无效或干扰样本包括但不限于异常波动样本(2311)、气体干扰物样本(2312)和超大颗粒样本(2313)等。

生物特征识别子模块(24)分别与本底提取子模块(21)、气溶胶样本特征分析子模块(22)和无效样本剔除子模块(23)数据连接，能够实现生物表征信息检索、生物特征识别及生物预警信号输出等功能，通过将样本的生物特征信息与典型生物气溶胶特征数据库(40)中典型特征信息比对分析识别出样本的生物特征(241)，并依据生物表征信息、生物气溶胶浓度分布数据、生物本底参数以及样本气溶胶颗粒分布数据中的粒度分布特征信息自动发出分级的生物预警信号(242)。其中，生物特征(241)包括但不限于生物种类(2411)、生物危害性(2412)和生物活性(2413)等。

在本发明实施例中，其中无效样本剔除子模块(23)根据生物气溶胶预警抗干扰模块(70)的输出结果、样本浓度分布数据和气溶胶颗粒分布数据的波动情况判断当前样本是否为无效样本：如果不是，则保留当前样本；否则，予以剔除以排除干扰，并将经过无效样本剔除后的气溶胶样本序列输入到生物特征识别子模块(24)中。无效样本剔除能提高生物特征识别算法的执行效率和可靠性，从而减少误预警率。

图5为本发明气溶胶预警系统中生物气溶胶预警抗干扰模块的结构图，如图5所示，在本发明实施例中，生物气溶胶预警抗干扰模块(70)包括：

干扰物传感单元(71)，其集成了多种干扰物传感器，包括但不限于引擎废气传感器(711)、餐厨废气传感器(712)和气体爆炸产物传感器(713)等，用于采集各种干扰物的传感数据；

干扰物特征识别子模块(72)，与干扰物特征数据库(50)数据连接，用于根据干扰物特征数据库(50)中的干扰物特征信息进行干扰物特征信息(721)的检索和对干扰物(722)的识别等。其中，干扰物特征信息(721)包括但不限于干扰物颗粒特征(7211)、伴随干扰物气体特征(7212)和干扰物荧光特征(7213)；干扰物(722)包括但不限于引擎废气(7221)、餐厨废气(7222)、爆炸产物(7223)、花粉(7224)、扬尘(7225)等。

抗干扰算法子模块(73)，与干扰物特征识别子模块(72)数据连接，用于通过排除干扰物(722)干扰的算法为生物气溶胶预警模块(20)提供干扰信息(731)。抗干扰算法子模块(73)综合干扰物特征识别子模块(72)识别的干扰物特征，实现分辨并排除干扰物干扰的功能，是提高生物气溶胶预警抗干扰能力的重要算法模块。

在本实施例中，生物气溶胶预警抗干扰模块(70)是增强生物气溶胶预警系统抗干扰能力的关键模块，其接收来自干扰物传感单元(71)中干扰物传感器的传感数据和干扰物特征数据库(50)的干扰物特征数据，对干扰物传感数据和干扰物特征数据比较分析识别出干扰物特征和种类，最后通过生物气溶胶预警抗干扰算法综合干扰物特征识别子模块(72)识别的干扰物特征，分辨干扰物并为生物特征鉴别提供干扰影响因素以便排除干扰物干扰。

在本发明实施例中，如图1所示，预警信号输出单元(60)接收来自生物气溶胶预警模块(20)输出的预警信号，驱动各种预警终端设备，通过声、光、图像等手段向用户传达生物气溶胶预警信息。其中，预警信号输出单元(60)包括预警声音输出终端(61)、预警图形图像输出终端(62)和预警指示终端(63)等终端，其中：

预警声音输出终端(61)包括各种蜂鸣器、喇叭等终端设备；

预警图形图像输出终端(62)包括各种类型的图形图像显示器；

预警指示终端(63)包括各种类型的预警灯。

本发明通过预警算法配置及生物特征提取、本底采集、无效样本剔除、生物特征鉴别等一系列算法过程排除干扰物的干扰、识别生物气溶胶的威胁。与现有技术相比，将本发明的生物气溶胶预警系统集成到现有的生物气溶胶监测预警仪中，能使生物气溶胶监测预警不仅具有环境适应能力，而且具有抗干扰能力，更好地满足了实战化应用需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。